1. OBJETO Y ALCANCE DEL PROYECTO

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Objeto y alcance del proyecto

1. OBJETO Y ALCANCE DEL PROYECTO

1.1. OBJETO DEL PROYECTO

El objetivo principal del presente proyecto es la descripción de las instalaciones de una planta desaladora por ósmosis inversa y el diseño óptimo de una planta de 5000 m3/día de producción, mediante sistemas de recuperación de energía con intercambiadores de presión, para la obtención de agua potable apta para el consumo humano.

1.2. ALCANCE DEL PROYECTO

El presente proyecto contempla todas las instalaciones necesarias para la ejecución de las distintas fases del proceso de desalación por ósmosis inversa, describiendo la mejor solución para cada tipo de instalación a diseñar. Las instalaciones que se describen son las siguientes:

 Captación de agua

 Pretratamientos

 Módulo de ósmosis inversa

 Sistema de recuperación de energía

 Sistema de desplazamiento y limpieza

 Postratamientos

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Introducción

2. INTRODUCCIÓN

2.1. PROBLEMÁTICA DE LOS RECURSOS HÍDRICOS

El agua es necesaria para el desarrollo de la vida así como para numerosas actividades humanas. Además es un bien escaso por lo que es necesario desarrollar sistemas que permitan un mejor aprovechamiento del agua que existe en nuestro planeta. No olvidemos que las estimaciones indican que la hidrosfera contiene cerca de 1.386 millones de km3. El agua cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre y de ellas el 97,5% es agua salada, haciendo que no sirva para usos agrícolas, industriales o humanos. El resto es agua dulce, pero una 68,9% esta en forma de hielo permanentemente (imposible usarla) y del resto de agua disponible, cerca del 30% son aguas subterráneas y el 0,3% se encuentra en ríos, lagos, embalses, etc.

Otro aspecto muy importante a considerar dentro de la distribución de los recursos hídricos del planeta es que no todos están disponibles, ni tienen la calidad necesaria. Actualmente 26 países del mundo sufren problemas de escasez (300 millones de personas), y la previsión para el año 2050 es que sean 66 países los afectados por esta escasez. Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce se consume en tareas agrícolas, fundamentalmente en el riego y cantidades significativas de agua en el ámbito industrial, principalmente en la producción de energía.

Dado que los recursos hídricos son limitados, las tecnologías basadas en la desalinización del agua de mar y el bombeo de agua a distancia, pueden paliar de alguna forma la demanda de agua que existe actualmente, pero esto por si solo no es la solución. Además de estas tecnologías, es necesario gestionar bien el agua, evitando pérdidas o despilfarros que existen por ejemplo en las canalizaciones de riego, o en las redes de abastecimiento bien por estar obsoletas, bien por no tener un mantenimiento adecuado. Así mismo, es necesario un sistema de reciclado y reutilización de aguas tanto en la agricultura como en la industria donde la demanda de agua es tan elevada.

Se hace necesario el ahorro de agua en todos los sectores de consumo, usando técnicas de riego que eviten el despilfarro, ahorro en el consumo doméstico y su posterior depuración y reutilización.

Sin embargo, existen zonas áridas o aisladas del planeta que necesitan de fuentes externas de agua para su desarrollo como la desalación. La desalación es un proceso que permite aumentar esos recursos, pero tiene el inconveniente de ser una tecnología cara y no está al alcance de todos los países.

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Introducción

La utilización de técnicas de desalación, tanto de recursos salobres como de agua de mar, constituye en determinadas circunstancias una solución a la escasez sistemática de recursos hídricos en algunas zonas.

Datos a tener cuenta para paliar la escasez de recursos hídricos son, por ejemplo, que la extracción de agua crece más rápidamente que la población: desde 1940, la primera se ha multiplicado por tres y la segunda por seis. El crecimiento estimado de la población (9000 millones de personas en 2030) va a disparar el consumo, y este crecimiento esperado proviene casi en su totalidad de países en desarrollo, que son los que presentan hoy mayores carencias en la disponibilidad de agua.

Cabe destacar que el suministro de agua dulce se está reduciendo como consecuencia de la contaminación química y de la desertización producida por el calentamiento global.

La solución que se puede dar a está problemática a largo plazo además de la mejora en la gestión de los recursos tradicionales es la desalación y la reutilización, es decir, las nuevas aguas.

2.2. HISTORIA DE LA DESALACIÓN

El intento del hombre por desalar agua remonta a los tiempos donde ya los barcos utilizaban la desalación del agua del mar para obtener agua potable durante las travesías y así garantizar la seguridad del suministro y disponer de más espacio para el transporte de personas y mercancías, al no tener que ocuparlo con tanques de almacenamiento de agua. Con la navegación a vapor se incorporaron rudimentarios evaporadores a los navíos que no eran más que alambiques (antiguos destiladores) puestos en serie.

La desalación tal y como ahora la entendemos dio comienzo en los años 50 cuando los evaporadores citados anteriormente se pasaron a tierra para poder desalar algunas zonas costeras donde no era posible obtenerla por otros medios.

En España, la desalación se incorporó relativamente pronto cuando en el año 1965 se instaló la primera planta desaladora de agua de mar en la isla de Lanzarote por iniciativa de una empresa privada. La administración española vio que la desalación de las aguas de mar podría ser la solución de muchas de las carencias de recursos naturales que tenía nuestro país, por lo que desde comienzo de los años 70 empezó a instalar plantas desaladoras. Al no disponer de recursos energéticos propios se empezó tanto en la administración como en las empresas a investigar en los procesos de desalación, con el objetivo de reducir los consumos energéticos y mejorar las tecnologías existentes.

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Introducción

Todo ello ha tenido consecuencia que España sea el quinto país del mundo en cuanto a capacidad de agua desalada habiendo reducido de forma importante los costes de producción.

2.3. AVANCES EN LOS PROCESOS DE DESALACIÓN

Todos los procesos de desalación están basados en procesos naturales.

Por una parte está el proceso de congelación. Se observó que el hielo de los icebergs era agua pura, ya que al congelarse el agua de mar solo lo hacía esta, dejando las sales en el agua circundante. Así se concibió una planta de desalación mediante la congelación del agua del mar. La práctica demostró que no era viable desde el punto de vista económico, debido a esto, en el mundo, no ha habido más de dos plantas desaladoras con estas tecnología. Otro de los procesos sería la evaporación, que consiste en evaporar una cantidad de agua de mar que luego se condensa obteniendo agua destilada, a la que se le añaden las sales que sean necesarias para hacerla apta para el consumo humano. De estos procesos existen muchas variantes, cada una intentando optimizar el consumo energético y los costes de instalación y, por tanto, los costes de producción del agua potable. Estos procesos son los que se utilizaron en los barcos y en las primeras plantas en tierra. Los más utilizados son: evaporación instantánea multietapa (MSF), evaporación multiefecto (MED) y la comprensión mecánica de vapor (CMV). De hecho, el proceso de MSF llegó a representar el 85% de las plantas instaladas durante el período del 70 al 85. El fenómeno natural de la ósmosis, era conocido desde hace muchos años, pero la aplicación práctica para desalar agua de mar no fue posible hasta principios de los 80 en que apareció la primera membrana capaz de trabajar con esas concentraciones, dando lugar al proceso conocido como ósmosis inversa (OI). A partir de estos años la mejora en las membranas, el mayor conocimiento de los pretratamientos, la aparición de nuevos equipos con mayor rendimiento y capaces de ahorrar energía, no has conducido a la situación actual. En la tabla siguiente se muestra la energía que necesita consumir cada proceso, para obtener un m3 de agua.

ENERGÍA NECESARÍA PROCESO DE DESALACIÓN TIPO DE

PROCESO Kcal/m3 Kwh/m3 Evaporación instantánea multietapa (MSF) Destilación 55556 6,25

Evaporación multiefecto (MED) Destilación 55556 1,64 Comprensión mecánica de vapor (CMV) Destilación --- 8,66

Ósmosis inversa (OI) Membranas --- 3,5

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Introducción

Se puede observar que los procesos de destilación MSF y MED, necesitan dos tipos de energía, una calorífica para calentar el agua de mar y evaporarla y otra eléctrica para mover las bombas involucradas en el proceso. El proceso de CMV, aunque es de destilación, sólo requiere energía eléctrica para el accionamiento de las bombas que mueven el agua y el compresor que lleva a cabo el proceso. Finalmente, la OI que sólo utiliza energía eléctrica para mover las bombas que llevan el agua y realizan el proceso de separación. Todos ellos han mejorado sus consumos de energía desde sus inicios hasta la situación actual. Por ejemplo, el proceso de MSF consumía tres veces más de calor al principio, que el consumen las plantas actuales. La forma de mejorar el rendimiento de estos procesos ha sido aumentando las superficies de transferencia de calor, con lo que la recuperación de calor es mayor. La causa fundamental de estos cambios fue la crisis del petróleo del 73. Hasta ese momento la energía era muy barata, tanto, que era preferible consumir más energía a incrementar los costes de inversión para reducir su consumo. Actualmente, la conciencia medioambiental por una parte y alto coste de la energía por otra, han conducido a la reducción del consumo energético. De todos ellos el que consume menos energía es la ósmosis inversa, por ello es el proceso que más se está utilizando en España y en el que las empresas españolas son pioneras en el mundo.

En la siguiente figura podemos observar la disminución del consumo de energía en la desalación que se ha reducido en un 50% en 20 años. Se esperan mejoras futuras entre el 10 y el 15%. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 K w h /m 3

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Introducción 2.4. PROGRAMA A.G.U.A

El programa A.G.U.A (actuaciones para la gestión y la utilización del agua) materializa la reorientación de la política del agua, mediante la explicación y difusión de las actuaciones concretas diseñadas para garantizar la disponibilidad y la calidad del agua en cada territorio.

El programa permite a todos los ciudadanos conocer y comprender mejor la política del agua, para actuar así de forma más responsable y exigente, aportando incluso sugerencias y propuestas al Ministerio de Medio Ambiente. Incorpora actuaciones en el conjunto del territorio español que afectan a todas las políticas y ámbitos directa e indirectamente ligados a la disposición y gestión sostenible del agua.

De forma prioritaria y urgente, se han puesto en marcha las actuaciones ligadas a los territorios del litoral mediterráneo según el RDL 2/2004. A continuación se señalan las actuaciones referentes a desaladoras por las diferentes cuencas:

Cuenca hidrográfica del Sur (215 hm3/año):  Desaladora del Campo de Dalías

 Desaladora en Níjar

 Desaladora en el bajo Almanzora

 Desaladora de agua de mar en Carboneras. 2ª fase

 Desalación en el poniente almeriense

 Desalación en la Costa del Sol

 Remodelación y puesta en servicio de la desaladora de Marbella

Cuenca hidrográfica del Segura (266 hm3/año):

 Desaladora del Campo de Cartagena

 Planta desaladora para garantizar los regadíos del trasvase Tajo-Segura

 Ampliación de la desaladora de la Mancomunidad de los Canales del Taibilla en Murcia

 Planta desaladora en el Guadalentín

 Planta desaladora para el riego en Murcia

 Planta desaladora de La Pedrera

 Planta desaladora. Mejora de la calidad en Pilar de la Horadada

 Desaladora para L’Alacantí y Vega Baja

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Introducción Cuenca hidrográfica del Júcar (70 hm3/año):

 Desalación en la Marina Alta

 Desalación en la Marina Baja

 Ampliación de la desaladora de la Mancomunidad de los Canales del Taibilla en Alicante

 Ampliación de la desaladora en Jávea

Cuencas internas de Cataluña (70 hm3/año):

 Desaladora del área metropolitana de Barcelona

 Ampliación de la desaladora del Tordera

2.5. COMPOSICIÓN Y CALIDAD DEL AGUA

El agua del mar, no es pura sino que contiene otras substancias disueltas o en suspensión. La salinidad es el parámetro que mide la concentración de sal comuna (NaCl) sobre el volumen de agua total. Normalmente la unidad de medida de la salinidad es en ppm que indica los miligramos que hay de sal en un litro de agua, que varía según los mares y océanos, tal y como se puede observar en la tabla siguiente:

MAR O OCÉANO SALINIDAD APROXIMADA (ppm)

Mar Báltico 7000 Mar Negro 13000 Mar Adriático 25000 Mar Mediterránea 31500 Océano Pacífico 33600 Océano Índico 33800 Mar Caribe 38600 Océano Atlántico 39400 Golfo de Arabia 43000 Mar Rojo 43000

Tabla 2. Variación de la salinidad en el mundo

La composición química del agua marina varía en función de la densidad del agua, así como otros parámetros físicos y químicos. En la siguiente tabla podemos observar la composición química media de un litro de agua de mar:

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Introducción

COMPONENTE CONCENTRACIÓN (ppm)

Cloruro de sodio (NaCl) 24000 Cloruro de magnesio (MgCl2) 5000

Sulfato de sodio (Na2SO4) 4000

Cloruro de calcio (CaCl2) 1100

Cloruro de potasio (KCl) 700 Bicarbonato de sodio (NaHCO3) 200

Bromuro de sodio (NaBr) 96

Ácido bórico (H3BO3) 26

Cloruro de estroncio (SrCl2) 24

Fluoruro de sodio (NaF) 3

Tabla 3. Composición química del agua de mar

El agua, dependiendo de su concentración en sal, se puede clasificar por diferente tipo de agua. Por ejemplo, el agua de mar tiene de media unos 35 gramos de sal por litro, el agua dulce unos 0,5 gramos por litro, y la salmuera unos 69 gramos por litro.

En la siguiente tabla podremos observar los diferentes tipos de agua que existen en función de su salinidad, medida en función del total de sólidos disueltos (TDS). Es importante conocer la salinidad del agua que se va a tratar, ya que, es uno de los factores importantes para la selección de la técnica de desalación adecuada.

TIPO DE AGUA SALINIDAD (ppm de TDS)

Ultrapura 0,03 Pura 0,3 Desionizada 3 Dulce <1000 Salobre 1000-10000 Salina 10000-30000 Marina 30000-50000 Salmuera >50000

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Introducción 2.5.1. Calidad del agua desalada

La calidad del agua obtenida durante el proceso de desalación refleja el grado de reducción de iones después de la aplicación del método. En la tabla siguiente se puede observar la calidad del agua resultante de diferentes procesos:

ÓSMOSIS INVERSA (1 paso) ÓSMOSIS INVERSA (2 pasos) EVAPORACIÓN Ca2+ (ppm) 2 0,1 0,5 Mg2+ (ppm) 6 0,3 1,5 Na+ (ppm) 128 15 12 K+ (ppm) 4 0,8 0,5 HCO3 (ppm) 8 0,4 0,1 SO42- (ppm) 11 0,6 3,0 Cl- (ppm) 208 23 22 TDS (ppm) 367 40 40 SiO2 (ppm) 0,1 0,0 0,0 CO2 (ppm) 23 12 pH 5,8 5,2 7,2

Tabla 5. Calidad media del agua obtenida en procesos de desalación

En la OI en 2 pasos se obtiene agua de mejor calidad que en 1 paso, debido a que el agua producto que sale del módulo de OI entra como alimentación en un segundo módulo de OI. Todo esto se verá con más detalle en capítulos posteriores.

2.6. TRATAMIENTOS DE ÓSMOSIS INVERSA EN EL ÁREA METROPOLITANA DE BARCELONA

Un ejemplo claro del avance tecnológico en ósmosis inversa en los tiempos actuales se ve reflejado en el abastecimiento de agua potable en el área metropolitana de Barcelona. La situación de sequía vivida en los primeros meses del 2008 y en otros años anteriores amenaza restricciones en un futuro próximo y para garantizar el suministro ya está en marcha el proyecto de la desaladora del área metropolitana de Barcelona situada en el Prat de Llobregat donde la fecha prevista de entrada en operación es en mayo del 2009. Esta planta desaladora de agua de mar utilizará el tratamiento de ósmosis inversa donde producirá 60 hm3/año. Una de las características más importantes para reducir el consumo de energía en esta desaladora es la instalación de recuperadores de energía con intercambiador de

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Introducción

presión, en lugar de turbinas Pelton, que son las más usuales en este tipo de instalaciones. En los próximos capítulos se analizaran con más detalle estos tipos de recuperadores de energía.

En el siguiente gráfico se puede observar como han evolucionado el estado de los embalses que proporcionan agua a los ríos Llobregat y Ter, y queda reflejado los episodios en los que se ha vivido situaciones de alerta. Los embalses de Sau y la Suqueda proporcionan agua al río Ter, mientras que, la Baells, Sant Ponç y la Llosa del Cavall al río Llobregat, del que se alimenta la planta potabilizadora de Sant Joan Despí, que proprciona aproximadamente el 50% de abastecimiento de agua al área metropolitana de Barcelona.

Figura 2. Capacidad de los embalses que alimentan al río Ter y Llobregat

Otra problemática del abastecimiento de agua en Barcelona a parte de la poca cantidad de recursos de agua disponible es la calidad de estos recursos. Uno de estos recursos, el río Llobregat, presenta dificultades en cuanto a la calidad de sus aguas tratadas mediante procesos convencionales para cumplir con los nuevos valores paramétricos, que entrarán en vigor en el año 2009, relativos a los trihalometanos (THM). Los THM son subproductos orgánicos que presentan una alta toxicidad formados por la desinfección con cloro (Cl2) de los precursores (materia orgánica,

0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 16 0 18 0 20 0 22 0 24 0 26 0 28 0 30 0 32 0 34 0 36 0 38 0 40 0 h m 3 1 98 2 1 98 3 1 9 8 4 1 9 85 1 98 6 19 8 7 1 9 8 8 1 9 89 1 99 0 1 99 1 1 99 2 1 99 3 1 9 9 4 1 99 5 1 99 6 19 9 7 1 9 98 1 99 9 20 0 0 2 0 0 1 2 00 2 2 00 3 2 00 4 S an t P on ç - L a Bae lls - L a Llosa d el C av all (2 13 hm3) S au -S us qu ed a (3 98 hm 3 )

2 0 0 5 2 00 6

AL E RT A A LE R T A

A LE RT A A LE RT A

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Introducción

bromuros). Están compuestos por el cloroformo (CHCl3), diclorobromometano

(CHCl2Br), clorodibrometano (CHClBr2) y el bromoformo (CHBr3).

La Estación de Tratamiento de Agua Potable (ETAP) de Sant Joan Despí a pesar de las modificaciones introducidas en el tratamiento, no tiene la garantía de cumplir con el valor paramétrico de THM fijado por la legislación para el año 2009.

El Real Decreto 140/2003, respecto a la calidad del agua, limita el contenido total de THM en el agua de consumo humano en 150 µg/l a partir de enero del 2004 y en 100 µg/l a partir de enero del 2009.

Como actualmente, los valores de THM en la ETAP de Sant Joan Despí son superiores a 100 µg/l, se está trabajando en la construcción de un línea de ósmosis inversa, en este caso para agua salobre, para garantizar la calidad del agua potable que se abastece a Barcelona, ya que, en estudios realizados en planta piloto, se ve

reflejado la disminución de 100 µg/l de TMH implantado una línea de ósmosis inversa

en el tratamiento convencional.

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Ósmosis inversa

3. ÓSMOSIS INVERSA

3.1. INTRODUCCIÓN

La tecnología de la ósmosis inversa se basa en el proceso de ósmosis, que es un fenómeno natural que se produce en las células de los seres vivos, por el cual dos soluciones de distintas concentración salina puestas en contacto a través de una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones. Para ello se produce un movimiento desde la solución más diluida hacia la más concentrada, que se detiene cuando se alcanza un equilibrio entre ambas concentraciones. La fuerza que produce ese movimiento se conoce como presión osmótica y está relacionada con la presión de sales en el interior de ambas soluciones.

Cuando dos soluciones de diferente concentración o salinidad están colocadas en dos recipientes separados por una membrana semipermeable (permeable al agua, no a las sales) se produce un movimiento a través de la membrana desde la solución más diluida a la más concentrada como se puede observar en la figura 1, que se detiene cuando se alcanza un desnivel entre ambos recipientes, que corresponde a la presión osmótica de la solución más concentrada, o más propiamente a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones.

Si invertimos el proceso aplicando una presión en el recipiente de la solución más concentrada, el movimiento se produce desde ésta hacia la más diluida alcanzando una posición de equilibrio como podemos observar en la figura 2. La altura que alcanza la solución en el nuevo equilibrio es función de la presión aplicada, de las características de la membrana y de las concentraciones de ambas soluciones. Este proceso es lo que constituye la ósmosis inversa.

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Ósmosis inversa

Figura 4. Principios del proceso de ósmosis inversa

El proceso descrito se nombra ósmosis inversa porque para conseguir un flujo de solvente a través de la membrana hay que ejercer al menos una presión suficiente para vencer la presión osmótica de la solución.

Sin embargo, en la práctica, no es necesario vencer la presión osmótica de la solución de alimentación, sino sólo la diferencia de presión osmótica entre las soluciones de alimentación y producto. Esta presión depende del flujo de agua a través de la membrana y cambia de cero hasta un límite dado por las características de la membrana.

Con las membranas reales puede producirse flujo con diferencias de presión que son pequeñas comparadas con la presión osmótica de la solución de alimentación, pero el caudal desalado es en estas circunstancias, prácticamente despreciable.

Si se analizan las distintas fases de este proceso vemos que los elementos fundamentales para poder reproducir este fenómeno a escala industrial lo constituyen la bomba necesaria para aplicar la presión y la membrana capaz de realizar la separación de sales.

El elemento que diferencia la ósmosis inversa de otros procesos es la membrana, la cual debe reunir las siguientes características:

 Resistencia a las presiones a que se va a someter la solución para invertir el proceso.

 Permeable al agua para que el flujo que proporciona sea elevado.

 Rechazo de un elevado porcentaje de sales para que el producto sea de buena calidad.

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Ósmosis inversa 3.2. DIFERENCIAS ENTRE ÓSMOSIS Y FILTRACIÓN

Aunque en ocasiones se ha querido ver la ósmosis inversa como un proceso de filtración a escala molecular, se comprende fácilmente que la OI es un fenómeno claramente diferente de la filtración.

Los aspectos que marcan más claramente la diferencia son:

 En la filtración todo el caudal atraviesa el elemento separador, que impide únicamente el paso de partículas sólidas de un determinado tamaño. En la OI en cambio, sólo una parte del caudal de alimentación atraviesa la membrana constituyendo el producto, mientras el resto es eliminado sin atravesar la membrana y constituye el rechazo.

 En la OI no se produce la acumulación del material separado sobre la superficie de la membrana, como ocurre en la filtración, pues precisamente le rechazo produce el arrastre de dicho material.

 En la filtración el flujo de agua a tratar es perpendicular a la membrana, mientras que en la ósmosis es paralelo a ella.

3.3. TRATAMIENTOS CON MEMBRANA

Los tratamientos con membranas actúan prácticamente en todos los compuestos en que son efectivos los tratamientos tradicionales. Microfiltración y ultrafiltración para eliminar compuestos en suspensión y ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa y electrodiálisis para eliminar compuestos en disolución.

3.3.1. Clasificación de los procesos de membranas en función de la fuerza directora utilizada.  Diferencia de presión: - Microfiltración - Ultrafiltración - Nanofiltración - Ósmosis Inversa  Diferencia de concentración: - Diálisis

 Diferencia de potencial eléctrico: - Electrodiálisis

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Ósmosis inversa

Figura 5. Procesos de separación de membranas

3.3.2. Nanofiltración

La nanofiltración utiliza membranas semipermeables con un tamaño aproximado de poro equivalente a 0,001 µm.

Se puede considerar como una variante de la ósmosis inversa que se caracteriza por:

 Rechazo del 50 al 75 % de los iones monovalentes

 Rechazo del 90 al 98 % de los iones bivalentes o superiores

 Comportamiento parecido a la ósmosis inversa en cuanto a rechazo de compuestos orgánicos disueltos y metales

 Requiere de un pretratamiento como la ósmosis inversa

Su conversión oscila entre el 70 y el 80 % con configuración en dos etapas. En función de las características del agua la presión de funcionamiento es entre 5 y 20 Kg/cm2. Se aplica en aguas salobres con contenidos elevados de sulfatos o dureza. En cada aplicación se ha de estudiar la rentabilidad de la recuperación de energía.

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Ósmosis inversa 3.3.3. Electrodiálisis reversible

Es un proceso de separación electroquímica. Se utiliza un diferencial de potencial eléctrico y unas membranas de intercambio iónico selectivas para separar especies iónicas y otros compuestos con carga eléctrica de una solución acuosa. Si se cambia periódicamente la polaridad del campo eléctrico se tiene el proceso de electrodiálisis reversible.

En la electrodiálisis, es el soluto y no el solvente el que atraviesa las membranas. Por tanto no hay una barrera física como en la ósmosis inversa y en la nanofiltración. Su aplicación es en exclusiva para agua salobre.

Las membranas usadas para electrodiálisis son, esencialmente, una resina intercambiadora de iones fabricada en forma de láminas con un espesor aproximado de 0,5 mm. Las propiedades básicas de las membranas son:

 Insolubles en soluciones acuosas

 Presentan baja resistencia eléctrica

 Impermeables al agua bajo presión

 Resistentes a cambios de pH entre 1 y 10

 Utilizables hasta temperaturas de 46 ºC

 Resistentes al paso osmótico cuando se colocan en dos soluciones salinas, una de 220 ppm y otra de 30.000 ppm de sólidos disueltos

 Estables al cloro

 Semi-rígidas para facilitar su montaje

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Ósmosis inversa

Figura 6. Proceso de electrodiálisis

La membrana catiónica debe transferir solamente cationes y rechazar los aniones, y la membrana aniónica debe transferir solamente aniones y rechazar los cationes.

3.4. ECUACIONES FUNDAMENTALES

El proceso de desalación queda enmarcado por una serie de ecuaciones que definen los distintos aspectos que deben conocerse para la realización del proyecto o diseño de las distintas instalaciones.

Los diferentes flujos o caudales se generan en el proceso son:

 Flujo o caudal de alimentación (Fa): agua que entra al sistema de ósmosis

inversa después del pre-tratamiento y acondicionamiento que se pretende desalar.

 Flujo o caudal de producto (Fp): corresponde al agua a la que se le han

eliminado o reducido las sales.

 Flujo o caudal de concentrado (rechazo) (Fr): que arrastra las sales que han

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Ósmosis inversa

Figura 7. Caudales en el proceso de ósmosis inversa

La relación entre las citadas magnitudes es: Fa = Fp + Fr

Del mismo modo tendremos las concentraciones del agua de alimentación, Ca,

producto, Cp y rechazo Cr, relacionadas entre sí mediante:

Ca Fa = Cp Fp + Cr Fr

A partir de aquí se consideran las siguientes ecuaciones:

Ecuación de flujo de agua

Fa = A (Pm - ΔǾm)

Siendo:

Fa = el caudal de agua que atraviesa la membrana en l/m2/hora.

A = coeficiente de transporte de la membrana en l/m2/hora atm. Pm = presión diferencial a través de la membrana en atm, o Kg/ cm2.

ΔǾm = presión osmótica diferencial a ambos lados de la membrana, en atm o Kg/ cm2.

El coeficiente A es característico de cada membrana y depende de varios factores como son, el espesor de la membrana, la temperatura, o la composición química de la solución.

De esta ecuación se deduce que el caudal es directamente proporcional a la presión neta aplicada, es decir, a la diferencia de presiones que aparece entre paréntesis en la fórmula, y al coeficiente de transporte; es decir, a una característica propia de la membrana y a otra propia del funcionamiento. Por ello, si el coeficiente de transporte aumenta, el caudal también lo haría, sin que fuera preciso aumentar la presión neta. En esas condiciones mantendríamos el mismo caudal aplicando una presión menor.

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Ósmosis inversa

Esta es la característica principal que se busca, junto con el rechazo de sales, en el proceso de mejora de membranas.

Como, de los dos caudales en que se bifurca el caudal a tratar, uno de ellos, la salmuera, concentra las sales rechazadas, éstas en mayor o menor cantidad se van acumulando sobre la superficie de la membrana, produciendo el fenómeno conocido como concentración de la polarización. Este fenómeno incrementa la presión osmótica de la solución de concentrado y por tanto, de acuerdo con la ecuación anterior, haría disminuir la presión neta y en consecuencia el flujo o caudal de agua a través de la membrana.

Pero además el caudal de una membrana depende de otros factores como:

 Espesor de la membrana.

 Dimensión de los poros y su distribución en la superficie de la membrana.

 Condiciones hidrodinámicas.

La disminución del espesor de la membrana ha sido una constante de la investigación a lo largo de los años, pero esta característica debe conjugarse con un tamaño de poros adecuado para rechazar un porcentaje suficientemente elevado de sales, y con una resistencia adecuada para soportar las presiones de funcionamiento.

En los últimos tiempos se han conseguido mejoras muy notables en membranas de agua salobre, que funcionan a bajas presiones; sin embargo, las membranas de agua de mar que deben soportar presiones muy elevadas no han logrado avanzar en la misma magnitud.

El caudal que atraviesa la membrana queda definido en unas condiciones de presión y temperatura predeterminadas, y en cada situación deben aplicarse las correcciones oportunas para adaptarlo a las condiciones reales de funcionamiento; esto es lo que se conoce como normalización de la membrana.

Ecuación del transporte de sales

Fs = Ks (Ca – Cp)

Donde:

Fs = flujo de sales, en g/cm2/seg.

Ks = coeficiente de transporte de sales en cm/seg.

Ca = concentración de sales en el agua de alimentación, en g/cm3.

Cp = concentración de sales en el agua producto, en g/cm3.

El coeficiente de transporte de sales es una característica de cada membrana.

La polarización aumenta la concentración de sales en el agua de alimentación, Ca, a

medida que el caudal avanza a lo largo de la membrana. Por tanto aumenta el flujo de sales Fs y hace empeorar la calidad del producto.

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Ósmosis inversa

En esta ecuación se ve que no existe dependencia directa entre la presión y el flujo de sales; es decir, al aumentar la presión no mejora el transporte de sales, ni por tanto el rechazo de sales.

Sí mejora en cambio el caudal de permeado, por lo que el efecto resultante es una mejora de la calidad, dado que la misma cantidad de sales se disuelven en un volumen mayor.

Rechazo de sales

RS (%) = (1 – Cp/ Ca)·100

Es el parámetro más importante de la membrana y se basa en el proceso de fabricación y en los polímeros que forman la membrana, constituye el know-how de cada fabricante.

Sin embargo, este valor para cualquier membrana varía para los distintos iones. Los iones trivalentes, por ejemplo, son rechazados mejor que los divalentes y estos a su vez mejor que los monovalentes. El disminuir el peso molecular en este sentido es lo que ha llevado a veces a considerar la ósmosis inversa como una especie de filtración a escala molecular.

Paso de sales

PS (%) = (Cp/Ca)· 100

Por tanto también

RS = 100 – PS

La determinación de todos estos parámetros se hace en condiciones específicas determinadas por cada fabricante, aunque suelen estandarizarse en cuanto a presión, temperatura, salinidad del agua preparada artificialmente, y en ocasiones recuperación.

Recuperación

También conocida como conversión o recobro del sistema (recovery), es el porcentaje de producto que se obtiene a partir de un determinado volumen de agua de alimentación:

R (%) = (Fp / Fa)·100

Fp y Fa medidos en las mismas unidades, m3/hora o m3/día.

Este factor es muy distinto según se trate de membranas individuales o de módulos en los que intervienen más membranas colocadas en serie.

En las membranas espirales, por ejemplo, dicho factor no suele ser superior al 12-15 % si se trata de membranas de agua salobre y del 10 % en caso de agua de mar.

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Ósmosis inversa

En membranas de fibra hueca, sin embargo, dicho factor se eleva hasta el 85 % en agua salobre y al 60 % en agua de mar.

Para elevar la conversión de un sistema de membrana es necesario incrementar el número de pasos o escalones de producción.

Concentración del producto

Cp = (1-RS) (Ca- Cr) /2

Concentración del rechazo

Cr = RS Ca / (1-R)

Este parámetro es importante conocerlo en el diseño, para establecer la forma de eliminación de un caudal, que según los casos puede ser importante y potencialmente contaminante.

En los casos de aguas salobres de salinidad moderada, puede incluso ser aprovechado recirculándolo a la cabecera del sistema.

A través de esta ecuación se ve también claramente cómo se puede influir en la calidad del rechazo para que no se cree problemas en su eliminación, decidiendo desde el diseño de la instalación, el tipo de membrana a elegir y la conversión del sistema.

Por ejemplo, para un agua con un contenido en sales de 2000 ppm podemos ver las consecuencias entre elegir membranas con un 87 % o con un 98 % de rechazo y conversiones del 65 o del 75 %

Cr1 = 0,87·2000 / (1-0,65) = 4972

Cr2 = 0,98· 2000 / (1-0,75) = 7840

Proporción (ratio) de reducción

Ca/Cp = 1/(1-RS)

Este factor es muy indicativo de la calidad de la membrana y sobre todo permite ver claramente la diferencia entre unas y otras.

Por ejemplo, si una membrana tiene un rechazo de sales del 98,5 % tendríamos: Ca/Cp = 1/(1-0,985) = 66,6/1

Y para un RS del 99 %: Ca/Cp = 1/(1-0,99) = 100/1

Es decir, que en el primer caso la reducción es de 66,6 a 1 y en el segundo de 100 a 1.

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Ósmosis inversa

Pero más significativo todavía es este valor en el caso de las membranas de agua de mar.

Si RS fuera del 99,3 % sería: Ca/Cp = 1/(1-0,993) = 142,8/1

Pero si fuera sólo un poco superior 99,5 %: Ca/Cp = 1/(1-0,995) = 200/1

Es decir que ese, en teoría, pequeño porcentaje del 0,2 % mejora la calidad de una manera notable, casi en un 30 %.

De ahí que para desalar agua de mar en una sola etapa se necesiten membranas con rechazo de sales igual o preferentemente superior al 99,3 %.

3.5. TIPOS DE MEMBRANAS

Las membranas se pueden clasificar según su:

 Composición química  Forma  Naturaleza  Estructura  Presión de trabajo  Morfología de su superficie  Carga superficial

3.5.1. Según su composición química

Las membranas pueden ser orgánicas o inorgánicas.

Membranas orgánicas

Reciben este nombre todas aquellas membranas cuya capa activa sí está fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánicos.

Aunque existe un gran número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de éstas son aptas para la ósmosis inversa.

De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en la fabricación de la ósmosis inversa son el acetato de celulosa, triacetato de celulosa, poliamidas aromáticas, poliéter-urea, poliacrilonitrilo, polibencimidazola, polipiperacidamidas, polifurano sulfonado polisulfona sulfonada.

Acetato de celulosa

La primera membrana semipermeable asimétrica de ósmosis inversa para la desalación de agua la obtuvieron Loeb y Sourirajan a partir de una mezcla de acetatos de celulosa.

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Ósmosis inversa

Gran parte de los fabricantes de membranas siguen contando con este material entre sus fabricados.

Los tratamientos complementarios a que se someten las membranas de acetato de celulosa tras su formación, cuyo objeto es modificar las características de permeabilidad y de rechazo de sales de la capa activa así como las distintas concentraciones y mezclas utilizadas, han originado una gran diversidad de membranas.

Triacetato de celulosa

Esta tiene un mejor comportamiento que el acetato de celulosa frente a la hidrólisis, por lo que se puede trabajar en una gama de pH más amplia.

Este polímero, además de los inconvenientes que presenta el acetato de celulosa, se añade el de tener un caudal de permeado por unidad de superficie más bajo. Esta circunstancia hace que los fabricantes que lo utilizan elaboren con él membranas de fibra hueca ya que la superficie de volumen que se consigue con esta forma es elevada, contrarrestando así el bajo flujo de permeado.

Algunos fabricantes utilizan también mezclas de acetato, diacetato y triacetato de celulosa, dependiendo de las características de las membranas que se quieren obtener.

Poliamidas aromáticas

Existen dos polímeros muy similares entre sí desde el punto de vista químico, y por tanto, con características de resistencia química parecidas. Estos polímeros son la poliamida aromática lineal, utilizada para fabricar membranas integrales tanto planas como de fibra hueca y la poliamida aromática con entrecruzamientos, utilizada para fabricar membranas compuestas de capa fina.

Poliéter-urea

Las membranas con esta formulación son siempre compuestas de capa fina. Este tipo de membranas contiene un exceso de grupos amina, lo que les confiere una naturaleza fuertemente catiónica.

Estos polímeros, acetatos de celulosa, poliamida y poliéter-urea, son los utilizados habitualmente para fabricar membranas de ósmosis inversa.

Membranas inorgánicas

Las membranas orgánicas presentan dos limitaciones, la estabilidad química y la resistencia a la temperatura. La búsqueda de soluciones ha desembocado en la utilización de materiales inorgánicos para su fabricación. Estos materiales inorgánicos son los cerámicos, los vidrios y los carbonos.

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Ósmosis inversa

Cerámicas

Hasta este momento son las más investigadas. El producto cerámico más utilizado para la fabricación de las membranas es la alúmina (Al2O3)

Partiendo de un compuesto orgánico de aluminio, controlando la formación del gel y variando tanto las condiciones de precipitación como las de calcinación, se puede modificar el tamaño de los poros de la membrana obtenida.

Vidrios

Utilizando como materias primas cuarzo, ácido bórico y carbonato sódico, se obtiene una mezcla de dos fases: una de vidrio de silicio casi pura y otra de ácido bórico rica en borato sódico.

Tratando dicho vidrio con ácido se disuelve la fase rica en borato sódico, quedando un vidrio con una estructura porosa. Variando los parámetros de fabricación puede controlarse el tamaño de los poros obtenidos.

Con esta técnica pueden fabricarse membranas planas, tubulares o capilares. Su diámetro exterior es de 0,4 mm y el espesor de la pared de 0,05 mm.

Las membranas de vidrio como las de cerámica presentan el inconveniente de su fragilidad y su escasa resistencia a las vibraciones.

Carbonos

Normalmente presentan una estructura compuesta. El lecho soporte suele ser de carbono sinterizado y la capa filtrante de óxidos metálicos a base de zirconio (ZrO2).

Las membranas de este tipo pueden soportar valores extremos del pH (0-14) y temperaturas hasta 300 ºC.

Solo se disponen membranas de microfiltración y ultrafiltración, no existiendo en el mercado ninguna de ósmosis inversa.

Tienen un elevado costo y gran dificulta para elaborar módulos con ellas.

3.5.2. Según su forma

Atendiendo a la forma que presenta la membrana, se pueden distinguir:

Planas

Es el tipo de configuración más antiguo y sencillo. Se trata simplemente de hojas o láminas semipermeables, de manera que el agua bruta incide en un lado de la membrana, reteniendo ésta las sales y dejando pasar el agua pura al otro lado de la misma.

La superficie de estas membranas es pequeña, por lo que para aumentar la producción de los equipos que disponen de estas membranas, se colocan unas encima de otras, constituyendo una especie de pilas o columnas de membranas.

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Ósmosis inversa

El principal inconveniente de este tipo de membranas es su pequeña capacidad productiva, por lo que para utilizarlas en instalaciones de tamaño medio se requieren numerosas membranas colocadas en pilas, que resultan voluminosas, pesadas e incómodas para operar y que encarecen enormemente su coste.

Ello ha motivado el que no hayan tenido demasiado éxito en el tratamiento de aguas potables, en el que los volúmenes de agua a tratar son grandes y que se empleen fundamentalmente en el sector industrial, especialmente el alimentario, para instalaciones de pequeño caudal.

Tubulares

Representan una alternativa a las anteriores, buscando conseguir una mayor superficie unitaria, pero sin renunciar a las ventajas de dificultad de ensuciamiento y facilidad de limpieza.

Las membranas tubulares se construyen en forma de tubo hueco, de distintas longitudes. Su diámetro interior oscila entre 6 y 25 mm.

La capa activa en este tipo de membranas suele encontrarse en la superficie interior del tubo. El resto del espesor presenta, como ya se ha dicho, una estructura porosa y sirve de soporte a la capa activa.

La solución a tratar circula por el interior, el permeado fluye radialmente del interior hacia el exterior y el rechazo se obtiene en el otro extremo del tubo.

Las membranas fabricadas con esta forma son mayoritariamente integrales, aunque unos pocos fabricantes también suministran membranas compuestas de capa fina tubulares.

Fibra hueca

A estas membranas también se les llama capilares, ya que su aspecto es el de una fibra de tejer hueca o el de un tupo capilar hueco del tamaño de un cabello humano. Como todas las membranas de ósmosis inversa dispone de una película muy densa en su parte exterior que constituye la “capa activa”. Bajo esta fina película y hacia el centro del tubo, se encuentra la estructura porosa que le sirve de soporte.

El diámetro interior de la fibra varía según el fabricante y el tipo de aplicación, entre 42-120 micras y los diámetros exteriores entre 85-250 micras.

La solución a tratar circula por el exterior de la fibra. El permeado fluye Radialmente desde el exterior hacia el interior, recogiéndose en el extremo de la fibra.

Las membranas de fibra presentan claras ventajas frente a las tubulares y las planas, por lo que su uso en potabilización de agua de mar se encuentra mucho más extendido.

Como principales ventajas pueden indicarse las siguientes:

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Ósmosis inversa

 Presentan mayor superficie activa por unidad de volumen ocupado

 Poseen una elevada resistencia a la presión

 Son más fáciles de instalar

 Son más duraderas.

Como inconvenientes hay que destacar que estas membranas no son tan fáciles de limpiar como las tubulares o las planas.

Una precaución a tener en cuenta en general, pero con mayor motivo si se emplean membranas de fibra hueca, esta en la necesidad de un riguroso control de las características del agua de alimentación. El agua que llega a dichas membranas debe estar muy bien pretratada, exenta de cualquier sustancia que pudiese provocar un deterioro de las mismas.

En espiral

Están formadas por varias láminas rectangulares, que constituyen las membranas propiamente dichas, enrolladas alrededor de un eje cilíndrico provisto de perforaciones que permiten recoger el agua producto.

Para el enrollamiento de las láminas desaladoras se disponen éstas alternadas con un separador impermeable y una malla, de forma que en una membrana arrollada en espiral existen tantas láminas como separadores y mallas.

La malla plástica determina los caudales hidráulicos por los que circula el agua a tratar y por su forma cuadriculada garantiza un régimen de funcionamiento turbulento lo que reduce las posibilidades de obstrucción por elementos extraños.

El separador impermeable permite aislar el caudal que pasa por cada una de las láminas o membranas y separarlo de la salmuera.

El conjunto de membranas, mallas y separadores se sella mediante un pegamento por tres de los lados, mientras que por el cuarto lado se constituye la única salida posible para el agua que ha atravesado las membranas, se une al eje perforado.

Finalmente se cierra el conjunto con una envuelta exterior de poliéster con fibra de vidrio, que permite lograr una gran estanqueidad.

El arrollamiento permite introducir una gran superficie de membrana en un espacio muy reducido. Con estos dos últimos tipos de configuraciones se ha conseguido reducir considerablemente el espacio ocupado por las membranas, aumentando la capacidad del módulo y reduciendo su precio. Por esta razón son los únicos tipos de configuración que se utilizan para la desalación de agua.

(27)

Ósmosis inversa 3.5.3. Según su naturaleza

Integrales

En estas membranas, existe continuidad entre la capa activa y el lecho poroso soporte siendo ambos del mismo polímero.

Las membranas de esta naturaleza se obtienen haciendo coagular el polímero que las forma a partir de una solución del mismo, tras lo cual se introduce la película en una serie de baños de agua a distintas temperaturas para darle la estructura porosa, formar la capa activa y eliminar los distintos disolventes residuales que hayan quedado en la membrana, procedentes de la fase de fabricación de la película.

El principal inconveniente de este tipo de membranas es que toda mejora de las características de la capa activa viene acompañada de un peor comportamiento del lecho poroso y viceversa, al ser ambos del mismo polímero y tener misiones contrapuestas.

Compuestas de capa fina

En estas, la “capa activa” y el sustrato microporoso que le sirve de soporte son de materiales diferentes.

La membrana consta de tres capas de distintos materiales. La capa superior (capa activa), la capa intermedia (lecho poroso soporte de la capa activa) y la capa inferior (tejido reforzado responsable de la resistencia mecánica de la membrana).

A diferencia de las membranas integrales, las compuestas de capa fina se fabrican en dos etapas.

 Se deposita la capa intermedia sobre una tela de refuerzo que constituye la capa inferior. El espesor del lecho poroso ronda las 40 micras.

 Se deposita sobre la capa intermedia la capa superior o capa activa, cuyo espesor es de 0,2-0,5 micras.

Variando el tipo el polímero utilizado y los parámetros de fabricación se obtienen membranas con distintas características tanto de rechazo de sales como de flujos de permeado por unidad de superficie.

Las membranas compuestas de capa fina son la evolución tecnológica de las integrales.

Presentan estas ventajas frente a las integrales:

 Cada capa puede desarrollarse y optimizarse separada e independientemente, adecuando cada una a su trabajo específico.

 Se puede variar a voluntad el espesor de la capa activa adecuándolo a las necesidades específicas de cada aplicación.

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Ósmosis inversa

 Puede alterarse la porosidad de la capa activa, y por tanto, su porcentaje de rechazo de sales así como el flujo de permeado, en función de las necesidades.

3.5.4. Según su estructura

Las membranas, pueden ser simétricas o asimétricas.

Simétricas

Pueden ser llamadas también membranas homogéneas. Son aquellas cuya sección transversal ofrece una estructura porosa uniforme a lo largo de todo su espesor, no existiendo zonas de mayor densidad en una o ambas caras de la membrana.

Las primeras membranas utilizadas en los inicios del desarrollo de la ósmosis inversa tenían una estructura de este tipo.

Las membranas simétricas presentan:

 Elevada permeabilidad al solvente.

 Bajo rechazo de sales

Por este motivo no son muy aptas para la ósmosis inversa.

Asimétricas

Estas membranas presentan en su parte exterior, la cara en contacto con la solución de aporte, una capa extremadamente densa y delgada bajo la cual aparece un lecho poroso.

A la capa densa y delgada se le llama “capa activa” y es la barrera que permite el paso del solvente e impide el paso del soluto. El resto de la membrana sólo sirve de soporte a la capa activa, debiendo al mismo tiempo ofrecer la mínima resistencia posible al paso del solvente.

Todas las membranas de ósmosis inversa tienen “capa activa” y son por tanto asimétricas.

3.5.5. Según su presión de trabajo

El parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de ósmosis inversa es la presión de trabajo. Esta presión debe ser varias veces superior a la presión osmótica de la solución, debido a los fenómenos de polarización de la membrana y al aumento de la concentración que se produce a medida que se va generando permeado. Las membranas de OI en el mercado son:

Membranas de muy baja presión

Son las que trabaja con presiones comprendidas entre 5-10 bars. Se utilizan para desalar aguas de baja salinidad (entre 500-1500 mg/l) y fabricar agua ultra pura.

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Ósmosis inversa Membranas de baja presión

Estas membranas trabajan a una presión entre 10-20 bars. Se utilizan para desalar aguas de salinidad media (entre 1500-4000 mg/l), así como reducir o eliminar de ella ciertos compuestos como nitratos, sustancias orgánicas, etc.

Membranas de media presión

La presión de trabajo de estas membranas es entre 20-40 bars. Estas fueron las primeras membranas que se comercializaron. Se han utilizado para desalar aguas de elevada salinidad (entre 4000-10000 mg/l) y en la actualidad sus aplicaciones se han generalizado utilizándose en múltiples procesos de separación y concentración.

Membranas de alta presión

Estas membranas se han utilizado para obtener agua potable a partir del agua de mar. Su presión de trabajo está comprendida entre 50-80 bars debido a la presión osmótica del agua de mar.

3.5.6. Según la morfología de su superficie

Atendiendo al aspecto que presenta la cara exterior de la capa activa, las membranas pueden ser lisas o rugosas.

Lisas

Son aquellas cuya cara exterior de la capa activa es lisa.

Rugosas

Son aquellas membranas cuya cara exterior de la superficie activa es rugosa.

La morfología de la superficie tiene importancia tanto desde el punto de vista del ensuciamiento como del de la limpieza de las membranas. Una superficie rugosa, además de ensuciarse más fácilmente, es más difícil de limpiar.

3.5.7. Según la carga superficial

A veces, los polímeros con que se fabrican las membranas de ósmosis inversa tienen, en su estructura molecular, un exceso de grupos químicos, lo que confiere a la superficie activa de éstas una cierta naturaleza eléctrica que suele medirse determinando su potencial. Este parámetro de una idea de la carga eléctrica existente por unidad de superficie.

Neutras

Son aquellas membranas que no presentan ninguna carga eléctrica, por lo que su potencial sería nulo.

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Ósmosis inversa Catiónicas

Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es positiva. Dependiendo del mayor o menor valor de la carga eléctrica, las membranas pueden ser fuerte o débilmente catiónicas.

Aniónicas

Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es negativa. Pueden ser fuerte o débilmente aniónicas.

La naturaleza y magnitud de la carga eléctrica existente sobre la superficie de una membrana tiene mucho que ver con su ensuciamiento como con la aparición y crecimiento de desarrollos biológicos.

Una membrana catiónica tendrá gran afinidad por los coloides de signo opuesto que tenderán a depositarse sobre su superficie y lo mismo con las membranas aniónicas con los coloides catiónicos.

3.6. MÓDULOS

Para utilizar industrialmente las membranas de ósmosis inversa, de forma que puedan trabajar correctamente y puedan soportar las presiones de trabajo, deben ubicarse en el interior de recipientes o contenedores denominados módulos, que por lo general adoptan formas cilíndricas.

La palabra módulo deriva de “modular”, ya que la capacidad de producción de una planta de estas características se consigue instalando en paralelo varias unidades elementales de producción o “módulos”. Por tanto, módulo es una agrupación de membranas, con una configuración determinada, que forma la unidad elemental de producción.

Los principales objetivos que persiguen los fabricantes de módulos de ósmosis inversa son:

 Obtener el máximo rendimiento de las membranas.

 Conseguir un sistema lo más compacto posible.

 Minimizar los fenómenos de polarización de las membranas.

 Facilitar la sustitución de las membranas deterioradas.

 Mejorar la limpieza de las membranas sucias.

Como estos objetivos a veces son contrapuestos, en la actualidad existen diversos tipos de módulos.

3.6.1. Módulos según la configuración de la membrana

Existen cuatro tipos, módulos de placas, módulos tubulares, módulos espirales y módulos de fibra hueca.

(31)

Ósmosis inversa Módulos de placas

Este tipo de configuración es el más antiguo. Está formado por un conjunto de membranas planas, recortadas generalmente de forma rectangular o de disco circular. Se apoyan sobre mallas de drenaje o placas porosas que les sirven de soporte. Las membranas se mantienen separadas entre sí por medio de espaciadores cuya anchura es del orden de 2 mm, por donde pasa la solución a tratar.

El módulo se obtiene apilando paquetes formados por espaciador-membrana-placa porosa-membrana. El conjunto así formado se comprime mediante un sistema de espárragos de manera que pueda soportar la presión de trabajo. La estanqueidad se logra mediante juntas elásticas colocadas en los extremos. Dentro de un mismo compartimiento todas las membranas trabajan en paralelo.

La velocidad de circulación es del orden de 1 a 2 m/s y la superficie de la membrana disponible por unidad de volumen con este sistema es de 50 a 100 m2/m3.

El mayor inconveniente de estos módulos es la dificultad que presentan para asegurar un correcto reparto del flujo a la entrada de las membranas.

Las membranas trabajan con una baja pérdida de carga, y si ésta no es constante entre un par de membranas, se crea un desequilibrio que afecta al rendimiento del sistema.

Módulos tubulares

En este tipo de módulos, las membranas tubulares se colocan en el interior de tubos porosos (diámetro de 0,5 a 1”) que actúan como soporte de las mismas. La solución a tratar circula por el interior del tubo mientras que el permeado fluye desde el interior hacia el exterior, donde es recogido.

En el interior de los tubos se colocan a veces, dispositivos especiales destinados a producir turbulencias, de forma que las velocidades de circulación sobre la superficie de la membrana alcancen valores de 4 a 8 m/s. El diámetro de los tubos es del orden de 25 mm. El aumento de superficie filtrante se logra colocando módulos en serie o en paralelo. Los módulos tubulares son muy poco compactos; la superficie de membrana por unidad de volumen oscila entre 50 y 70 m2/m3. Están especialmente indicados para el tratamiento de líquidos cargados debido a que permiten mantener una alta velocidad de circulación, pudiendo, además utilizarse sistemas mecánicos para su limpieza.

Módulos espirales

Esta configuración se llama así porque está formada por membranas planas enrolladas en espiral alrededor de un tubo central.

Cada paquete, consta de una lámina rectangular de membrana semipermeable doblada por la mitad de forma que la capa activa quede en su exterior.

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Ósmosis inversa

Entre las dos mitades se coloca un tejido provisto de diminutos canales para recoger el permeado que atraviese la membrana y conducirlo hacia el tubo central de recogida. Encima de la capa activa de la membrana se coloca una malla provista de canales de distribución para repartir homogéneamente la solución de aporte sobre toda la superficie de la membrana.

Para conseguir la estanqueidad entre la solución de aporte y el permeado se colocan, en los laterales de la lámina de ósmosis inversa, cordones de cola entre el tejido colector de permeado y las membranas, de forma que el sellante penetre totalmente en los tejidos.

Los laterales del tejido colector del permeado se encolan igualmente al tubo central que es de material plástico y va previsto de orificios.

El paquete así formado se enrolla alrededor del tubo central, dando lugar a un cilindro al que se colocan en sus extremos dos dispositivos plásticos para evitar su deformación, tras lo cual se recubre el conjunto con una capa de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio para darle la rigidez y resistencia mecánica necesaria. Este tipo de módulos se fabrican en los diámetros exteriores siguientes:

 2 ½” (65 mm)

 4” (100 mm)

 8” (200 mm)

 10” (250 mm)

Si se utilizase un único paquete de membranas para fabricar los módulos de gran diámetro, se requerirían hojas muy largas, lo que originaría problemas hidráulicos en la recogida del permeado y, por tanto, en el reparto de la solución a tratar.

Por este motivo, los módulos suelen fabricarse enrollando varios paquetes de membranas como los descritos, pero de longitud reducida. Un módulo de 8” suele llevar entre 16 y 18 paquetes.

La solución aporte circula en dirección axial, paralela al tubo central, conducida por la malla distribuidora existente ente las capas activas de dos membranas consecutivas. El permeado que atraviesa la membrana es recogido por el tejido colector, que lo lleva espiralmente, al tubo central del que sale al exterior por uno de sus extremos.

El rechazo o solución de aporte que no atraviesa la membrana continua su avance en dirección axial, abandonando la malla distribuidora por el otro extremo.

Los módulos espirales se interconexionan en serie dentro de un tubo destinado a soportar la presión de trabajo. En el interior de cada tubo pueden instalarse hasta siete módulos, alcanzándose longitudes totales superiores a los siete metros.

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Ósmosis inversa

La solución de aporte, a medida que va atravesando los distintos módulos instalados en serie, se va concentrando, siendo evacuada por el tubo de presión por el extremo opuesto a su entrada. El permeado puede ser recogido en el mismo extremo que el rechazo o en el opuesto, según convenga.

La configuración con membranas en espiral permite obtener un módulo mucho más compacto que los dos anteriores. La superficie de la membrana disponible por unidad de volumen oscila entre 600 y 800 m2/m3. Las velocidades de circulación son del orden de 2 m/s.

Figura 8. Módulo de arrollamiento en espiral

Módulos de fibra hueca

Se llaman así porque se fabrican con varios centenares de miles de membranas de fibra hueca dobladas en forma de “U” y colocadas paralelamente a un tubo central. Las membranas se fijan a ambos extremos mediante resina epoxi para dar estabilidad al haz así formado.

El módulo tiene similitud con un cambiador de calor de tubos. La solución de aporte se introduce a presión en el tubo central, quien reparte radial y uniformemente a través de todo el haz de fibras.

Cuando la solución a tratar entra en contacto con la superficie exterior de la fibra donde se encuentra la capa activa, una parte de la misma (el permeado) atraviesa la fibra moviéndose por su interior hueco hasta el extremo abierto.

(34)

Ósmosis inversa

Los finales abiertos de las fibras huecas están embebidos en una masa de resina epoxi, constituyendo uno de los extremos del haz. Esta masa, una vez mecanizada para abrir las fibras, se conoce con el nombre de placa tubular.

Cuando el permeado abandona el haz de placa tubular, pasa a través de un bloque poroso antes de alcanzar el exterior del módulo. El bloque poroso tiene por misión lograr un correcto reparto hidráulico en la recogida del permeado y, por tanto, también en la distribución de la solución de aporte a través del haz de fibras.

El rechazo se mueve hacia la placa epoxi situada en el otro extremo del haz de fibras, saliendo al exterior tras atravesar el espacio anular existente entre ésta y la capa exterior. Una junta teórica situada en la placa tubular impide que el permeado se mezcle con el rechazo.

El haz de fibras se instala en el interior de un tubo fabricado con epoxi y fibras de vidrio cuya misión es soportar, desde el punto de vista mecánico, las presiones de trabajo. Esta configuración fue especialmente concebida para trabajar con membranas de poliamida de baja permeabilidad, ya que su configuración permite obtener una gran superficie por unidad de volumen (6.000 – 9.000 m2/m3).

Este tipo de módulos, en el campo de la ósmosis inversa, sólo son fabricados por tres compañías:

 Du Pont

 Toyobo

 Dow Chemical

(35)

Descripción de instalaciones

4. DESCRIPCIÓN DE INSTALACIONES PARA EL DISEÑO DE UNA PLANTA

DESALADORA DE ÓSMOSIS INVERSA

4.1. CAPTACIÓN DE AGUA

Una buena captación puede reducir significativamente el coste de mantenimiento y explotación de la instalación (pretratamiento y ósmosis inversa). Las diferentes captaciones de agua se pueden dividir en:

 Captación abierta

 Captación por medio de cántara

 Drenes Horizontales

 Pozos

4.1.1. Captación abierta

Se suele utilizar cuando las condiciones del terreno no permiten otro tipo de captaciones y el caudal requerido es muy elevado.

La toma abierta se realiza directamente del mar y presenta las siguientes desventajas:

 Actividad biológica y orgánica elevada

 Contenidos en sólidos en suspensión importante y variable

 Mayor exposición a la contaminación

 Contenido más elevado de oxígeno disuelto

 Amplio margen de variación de temperaturas

Una captación abierta está compuesta por los siguientes elementos:

Torre de toma

Consiste en una torre de hormigón armado con huecos en distribución radial a la profundidad deseada. Evita la vegetación submarina. Debe ser diseñada para resistir las corrientes y el oleaje.

Inmisario submarino

Es la conducción que parte de la torre de toma hacia el depósito de impulsión. Suelen estar construidos de los siguientes materiales: PRFV, PE, hormigón armado. El sistema de anclaje debe resistir las corrientes y el oleaje y el diámetro del inmisario debe tener la capacidad hidráulica adecuada.

(36)

Descripción de instalaciones Depósito de impulsión

Se puede descartar del diseño si las condiciones lo permiten. Puede actuar a modo de decantador y de depósito regulador.

Bombas

Pueden ser sumergidas o en seco de materiales especiales para evitar la corrosión y la abrasión.

Equipos auxiliares y de medida

 Control de presión (manómetro – presostato)

 Regulación del caudal (variador de frecuencia o válvula)

 Control de nivel (transductor – boya)

 Control de temperatura en bobinado y rodamientos cuando P>200 KW

 Toma muestras para medición del índice de colmatación de membranas (SDI)

 Boyas de señalización (si se exige)

 Rejas de gruesos

 Instalación eléctrica

 Sistema de cloración

4.1.2. Captación por medio de cántara

Consiste en un depósito excavado por debajo de la cota del agua en el terreno. Sus paredes son impermeables y cuenta con sondeos verticales en la base. El agua es extraída de la cántara mediante bombas. Se trata de una toma cerrada al captarse el agua de mar en el subsuelo. A nivel de diseño es importante la determinación de las cotas, para que se respeten los valores de altura de aspiración y sumergencia. Se ha de tener en cuenta el caudal demandado y producido y el cono de depresión, para evitar el achique o vaciado de la cántara. En la figura siguiente se muestran las diferentes configuraciones para el diseño de una captación por medio de cántara:

(37)

Descripción de instalaciones

Figuras 10 y 11. Diferentes configuraciones de la captación por medio de cántara

Presenta las siguientes ventajas:

 Filtrado natural en el terreno. Turbidez (NTU) y colmatación (SDI) bajos.

 Ausencia de actividad orgánica y biológica.

 Bajo contenido en oxígeno disuelto.

 Baja contaminación.

 Temperaturas bastante estables. Como inconvenientes se puede resaltar:

 Pueden aparecer contenidos importantes de elementos secundarios como el hierro, aluminio, sílice, flúor…

 Contaminación por nitratos, pesticidas…

 Requiere la permeabilidad adecuada del terreno

 La línea de bajamar no puede estar muy por debajo de la línea del terreno. Los elementos asociados a una cántara son:

Bombas

Pueden ser sumergidas o en seco de materiales especiales para evitar la corrosión y la abrasión. Es importante el sistema de cebado.

Equipos auxiliares y de medida

 Control de presión (manómetro – presostato).

 Regulación del caudal (variador de frecuencia o válvula).

 Control de nivel (transductor – boya).

 Control de temperatura en bobinado y rodamientos cuando P>200 Kw

 Toma muestras para determinación del SDI

 Conducción de vertido para el rechazo

 Instalación eléctrica

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